Pourquoi les piles dans l'électronique grand public sont-elles utilisées de manière inégale?

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Lors du remplacement des piles de jouets pour enfants, de télécommandes, etc., je teste les piles et constate qu'elles se déchargent différemment. L'un sera mort et l'autre est toujours dans le vert.

Pourquoi cela arrive-t-il? Aussi, à cet extrême, pourquoi ne pas avoir une seule batterie?

Ils sont généralement AA et peuvent être ceux avec le produit ou rechargeables.

Aussi, pourquoi l'appareil s'arrête-t-il et ne commence-t-il pas à utiliser la bonne batterie?

user1605665
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Tolérances de fabrication
Chu
Conditions variables de chaleur, etc. pendant le transport et la durée de vie de la batterie.
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Remarque: Une "batterie" est une collection de plusieurs "cellules". Les "piles" AA ne sont en réalité qu'une seule cellule, et plusieurs cellules AA forment une batterie. Les batteries 9V sont vraiment une batterie ... si vous en ouvrez une, vous verrez 6 cellules individuelles de 1,5V en série.
Steve
Coût. L'ajout d'un système de gestion de batterie coûte cher.
mât

Réponses:

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Il y aura toujours une certaine variation de capacité entre les batteries. Dans l'utilisation de jouets, le courant est généralement tiré à un niveau élevé par rapport à de nombreuses autres applications, de sorte que la résistance interne des batteries est très importante.

Dans ce service, la tension sous charge chute assez rapidement à l'approche de la fin de vie, donc avec des différences de capacité mineures, les cellules peuvent avoir des tensions assez différentes.

Cependant, celles qui semblent bonnes sont également très proches de leur fin de vie, à moins que les cellules n'aient pas toutes été remplacées en même temps par des cellules également fraîches. Le décalage de quantité entre le conditionnement et l'utilisation (cellules conditionnées en 4 et utilisées en 3 par exemple) peut contribuer à un décalage de capacité.

entrez la description de l'image ici

Dans les graphiques ci-dessus pour une cellule Panasonic AA, vous pouvez voir que la tension chute sur une période de quelques heures de 1 V à 0,8 V. Une radio dure environ 130 heures et le déclin est beaucoup plus doux. Une fois que la tension descend en dessous de la fin de vie de 800 mV, elle chute rapidement à une tension beaucoup plus basse et peut même s'inverser (sous charge, ou même après que la charge est retirée) en raison du grand courant inverse fourni par les autres cellules du jouet. type de service.

Les testeurs de batterie fonctionnent généralement en appliquant une charge à la batterie et en mesurant la tension. La charge appliquée est nécessairement un compromis entre les exigences d'applications disparates.

Si votre testeur de batterie consomme un courant relativement faible, il peut toujours penser que les cellules qui sont presque épuisées sont bien (et elles sont bien, dans une radio!), Mais il ne peut pas confondre les cellules qui ont été chargées à mort à l'envers. C'est une raison pour laquelle certains testeurs de batterie ont un choix de courants pour tester - à un courant plus élevé, les cellules apparemment «vertes» seraient probablement bien dans la gamme orange.

Dans un jouet typique, les batteries sont simplement connectées en série et le jouet nécessite une certaine tension totale à un courant relativement élevé pour fonctionner. La chaîne de batteries en série n'est aussi solide que son maillon le plus faible, donc si une batterie est très morte, les moteurs, etc. ne recevront pas assez de tension pour fonctionner.

Spehro Pefhany
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J'ai souvent observé que la mise en place des piles, par exemple, une télécommande prolongera le fonctionnement des piles. Il me semble que l'explication de cette observation et l'explication de l'observation du PO devraient être similaires.
Jack Aidley
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Les jouets sont souvent fournis avec les cellules de batterie les moins chères qui peuvent être de capacité inférieure, mais qui ont également la tolérance la plus large. Cette tolérance et la «cellule la plus faible échoue en premier» est la règle générale.

Pour comprendre cela, modélisez chaque batterie comme un condensateur chargé, disons 1000 farads +/- 20%. Ensuite, mettez-les en série avec la même tension initiale et chargez-les, disons 100 ohms, et simulez ou calculez la fin de charge en utilisant les tolérances du pire des cas, disons trois cellules +20, 0 et -20%.

Alors vous comprendrez. Le lithium polymère et les batteries de voiture, quant à eux, commencent à 0,1% puis vieillissent vers 10% avant la mort des cellules individuelles à une tolérance de plus de -90% de la charge initiale.

L'ESR augmente et C baisse rapidement les valeurs vers la fin de la charge.

Si vous analysez cela, alors vous comprendrez.

J'ai retiré la valeur C de l'air pour une compréhension simple, mais cela dépend de la valeur horaire mAh. I c = C * dV / dt où dV est généralement de 1,6 à 1 V = 0,6 V selon la chimie, mais la valeur nominale en mAh est I * dt = C * dV, donc 50 mAh = 50 mA * 3,6 ks lorsqu'elle est évaluée pendant une certaine période comme 1 C = 20 h, mais toutes les batteries ont également une valeur ESR, où une large tolérance s'applique et l'ESR chute généralement avec une cote RISING mAh qui change à la fois avec un faible SoC et un long âge.

La règle d'or est que l'ESR est parfois liée à Ah, MAIS pas un moyen.

En fin de compte, la RÉPONSE à votre question est la cellule de la batterie avec la valeur C [F] la plus faible. Lorsqu'elle est en série, si elle est maintenue, elle sera également chargée à l'envers. question suivante s'il vous plaît ...

OK voici une comparaison des capacités des piles AA.

http://www.batteryshowdown.com/static/images/mah_large_200mA.png

La note au-dessus de la «norme DURACELL» est de 2000 mAh ou 2 Ah ou 7200 A-secondes

  • EE sagesse commune:

    • F-3B=0,35tR
    • RC = T ou L / R = T est défini comme un temps asymptotique,
      • pour T = désintégration RC de 1 à 1 / e * 100% ~ 37% ou 0 à ~ 63%
  • mais les informations de marketing de la batterie utilisent parfois une capacité Ah en utilisant 100% SoC à 0%, il existe donc des différences dans les normes de temps de mesure.

Cependant, dans les deux cas, l'énergie stockée est E = ½CV² mais dans le cas d'une batterie, je recommande E = ½C (Vi²-Vf²) comme Vbat de l'initiale, Vi à 100% Soc au Vf final mais plutôt 10% SoC pour éviter une décharge profonde vieillissement rapide.

Chaque tension est très dépendante de la température de la cellule; mais si je me souviens bien;

si vous mettez une légère charge pour supprimer la mémoire à court terme, la mesure Vbat (100%)

  • Lipo ΔV = 0,7 de 3,6 à 3,0 V
  • Plomb acide = 12,5 à 11,5 V
  • Alcaline = 1,5 V à 1 V

entrez la description de l'image ici

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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crédits à Peter pour les retouches,
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Vous ne pouvez pas modéliser une batterie comme un condensateur. Ils ont des caractéristiques de décharge très différentes. Essayez de faire un circuit de réservoir LC mais utilisez une batterie au lieu d'un condensateur ...
Jamie Hanrahan
désolé @JamieHanrahan mais le modèle correct pour une batterie est juste comme un capuchon supercap ou "double couche électrique" avec deux valeurs RC, Rp et ESR * C dynamique qui augmente en ESR et diminue en C avec l'âge. Si vous regardez les graphiques de supercap de Maxwell, vous verrez les mêmes effets de mémoire bien que beaucoup moins qu'une batterie au plomb qui passe de 14,2 à ~ 12,8 V, cette constante de temps est beaucoup plus courte que le stockage principal, mais en LiPo et supercaps, ce rapport de T est beaucoup plus proche. certes, il y a plus de complexité avec les pertes de batterie à des courants de décharge élevés, mais pas dans la plage 1C
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Ouais? Essayez de créer un circuit résonnant LC avec un circuit et revenez vers nous.
Jamie Hanrahan
@JamieHanrahan Q doit être >> 1 pour résonner avec L as-tu essayé série ou parallèle? pour 1kF Supercap, si c'est le cas, alors une petite cellule LiPo peut ne pas fonctionner à 100kF à cause du produit ESR * C (lié à 1 / Q) est trop élevé. Ce n'est pas mon hypothèse qui est fausse, mais la vôtre.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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En plus des notes sur les tolérances de fabrication de la batterie, j'ai vu (au moins un) appareil qui séparerait les connexions électriques de la batterie aux différentes parties du circuit.

Dans mon cas, c'était un réveil bon marché avec 3 piles AAA, 2 étaient en série pour faire fonctionner l'électronique, puis un troisième était en série avec les deux premiers pour faire fonctionner la LED / alarme.

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

Je ne pense pas que ce soit courant, mais c'est une autre explication possible.

CoderTao
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Je l'ai vu dans les télécommandes de télévision. La tension supérieure est utilisée pour piloter les LED tandis que la tension inférieure alimente également l'électronique.
David Schwartz
Les LED IR n'ont besoin que de 1,2 V mais peuvent généralement être pulsées à
1,8 V
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re: Pourquoi les piles dans l'électronique grand public sont-elles utilisées de manière inégale?

  1. La mauvaise qualité des cellules et / ou les cellules provenaient de différents lots. Cela peut entraîner des temps de décharge / charge différents. Les appareils (jouets) nécessitent généralement un certain minimum de V & A pour fonctionner correctement. Une fois que la ou les cellules les plus faibles ne parviennent pas à fournir leur part du V&A nécessaire pour faire fonctionner l'appareil, alors l'appareil commencera à ne pas fonctionner correctement ou à s'arrêter tous ensemble. En fonction de l'intelligence de votre chargeur et testeur, à mesure que les cellules vieillissent, cette différence peut devenir amplifiée au point que lorsque vous mesurez les cellules, vous trouvez qu'une cellule semble `` verte '' sur votre testeur tandis que l'autre cellule semble morte ou presque morte .

  2. Les utilisateurs mélangent et assortissent souvent les cellules dans leurs chargeurs et dans leurs appareils - souvent en mélangeant des cellules rechargeables plus anciennes avec des cellules plus récentes - et parfois même en mélangeant des cellules rechargeables avec des cellules primaires (jetables). À mesure que les piles rechargeables vieillissent, elles ont tendance à perdre leur capacité de charge et elles ont tendance à avoir des profils de décharge / charge différents (par rapport aux nouvelles piles). Selon le chargeur utilisé, cela pourrait signifier qu'un utilisateur utilise plusieurs cellules avec des charges différentes dans son appareil - ce qui, bien sûr, ne fera fonctionner l'appareil que tant que la cellule la plus faible sera en mesure de fournir une puissance suffisante (ce qui est généralement un temps beaucoup plus court que les cellules plus récentes et de plus grande capacité fourniraient de l'énergie à un appareil).

re: ... pourquoi ne pas avoir une seule batterie? "

Une batterie est un ensemble de cellules. Une cellule plus grande pourrait bien sûr être fabriquée pour votre application spécifique; cependant, cette cellule serait probablement moins utile pour construire des batteries pour d'autres applications par rapport aux conceptions de cellules actuelles.

re: "pourquoi l'appareil s'arrête et ne commence pas à utiliser la bonne batterie?"

Parfois (en fonction de la connectivité des cellules) l'énergie d'une bonne cellule peut empêcher un appareil de fonctionner comme les autres cellules les plus faibles de Peter. D'autres fois, cela n'est pas possible car la capacité de sortie de puissance (VA) de la batterie a diminué en dessous du seuil minimum requis pour faire fonctionner l'appareil.

DIYser
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Je suppose que cela fait partie des raisons pour lesquelles les fabricants recommandent de ne pas mélanger les batteries avec des compositions différentes également?
JAB
Cela et le mélange de cellules avec une plus grande capacité et une capacité inférieure peut créer une condition de charge inversée dans les cellules de plus faible capacité une fois que les cellules de plus faible capacité sont épuisées.
DIYser
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Il a été suggéré qu'une batterie ne peut pas être modélisée comme un condensateur car vous ne pouvez pas résonner avec un étranglement (aka réacteur).

Ceci est faux et prouve seulement que le Q est trop faible pour résonner et n'est pas une exigence pour être un condensateur (avec une tension de jonction de décalage chimique comme une diode qui doit être correctement polarisée)

Nous savons que pour un circuit de réservoir en série, le rapport réactance / résistance = Q doit être> 1 pour résonner et >> 1 pendant longtemps, où Q = 0,7 est défini comme un amortissement critique.

Je peux dire en toute sécurité, les batteries sont des condensateurs ultra-faibles (pauvres) à faible Q sur-amortis.

preuve

Utilisation d'un seul modèle C pour une batterie (approximation du 1er ordre)

Q = | Xc (ω) | / ESR = 1ESR2πFC   Q=0,16TrT pour T = ESR * C  

 To=1Fo res. freq. ex. ~ LiPo: T = 100kF * 5mΩ = 500s {temps de drain théorique min.}

  • mais NE court-circuitez JAMAIS un LiPo non fusionné, car la montée en chaleur le fera exploser.

Pour Q >> 1 ou 0.16Tr / 500> 1 donc période de cycle Tr >> 3125 s ou >> 52 minutes

Choisissez ensuite un starter similaire ou meilleur Q >> 1 L / R >> egeg 52 minutes >> 100H / 30mΩ

C'est pourquoi il n'est pas possible de fabriquer un oscillateur LC à partir d'une batterie.

Certains transformateurs comme ci-dessous ont un Q proche mais <1 avec des constantes de temps longues. entrez la description de l'image ici

BTW pour le plaisir, j'ai appliqué une cellule 18650 LiPo à travers les enroulements primaires d'un transformateur comme ci-dessus dans une usine et comme prévu, V = LdI / dt était une rampe lente suramortie jusqu'à saturation. Quel réservoir!

La réalité est que les batteries sont d'énormes SuperCaps avec des dizaines de milliers de Farads mais des constantes de temps très longues et donc un faible Q.

Mais pour répondre à votre question.

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Pour répondre à votre dernière question:

Si un appareil fonctionne avec 2 piles AA, celles-ci sont généralement connectées en série, ce qui signifie que les tensions s'additionnent pour devenir la tension de fonctionnement. Dans ce cas, 2 * 1,5 V = 3 V. L'appareil ne peut fonctionner que jusqu'à un certain seuil, qui diffère d'un appareil à l'autre. Disons que l'appareil est conçu pour 3V et peut fonctionner avec des tensions supérieures à 2V. Dans ce cas, l'une des batteries peut toujours avoir une charge presque complète (disons 1,4 V), mais l'autre est complètement déchargée à 0,2 V. Cela équivaut à une tension série combinée de seulement 1,6 V qui n'alimentera plus l'appareil.

chindocaïne
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Donc la question était quelque chose comme: "pourquoi pas une grosse batterie?" Réponse: car il n'y a pas beaucoup de chimies cellulaires qui peuvent fournir plus de 3V. Les supercondensateurs pourraient le faire.
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Cette réponse est trompeuse; il semble qu'une batterie se déchargera presque entièrement avant que la prochaine ne commence à se vider. Je sais que ce n'était peut-être pas votre intention, mais cela est apparu de cette façon. Un meilleur exemple serait peut-être de mettre deux nouvelles batteries de packs différents (même si ce sont les mêmes mfgr). On peut avoir un ESR de démarrage plus élevé, donc sa sortie effective commencera plus bas même si elle est encore nouvelle. En raison de l'ESR de démarrage plus élevé (même si ce n'est que de 0,05 Ω), cette batterie se dégradera en capacité apparente plus tôt que l'autre à mesure que son ESR continue de grimper et que sa sortie diminue.
Doktor J
@DoktorJ One will be dead and the other is still in the green.C'est exactement ce que le TO a décrit. Je n'ai pas dit que c'est ce qui se produira dans la plupart des cas, mais c'est possible. De plus, je ne faisais référence qu'à la dernière partie de la question de savoir pourquoi l'appareil cesse de fonctionner lorsque l'une des batteries est toujours en bon état. L'aspect ESR avait déjà été expliqué en détail dans d'autres réponses.
chindocaïne
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Chaque batterie a un cycle de charge ou de décharge différent. Même la batterie la plus souper et la plus coûteuse a des batteries différentes indépendamment du même lot ou du même modèle et fabriquées par la même entreprise.

Vous pourriez trouver ce phénomène non seulement dans une batterie de jouet moins chère qui vient normalement avec des paires, mais une source différente. Mon expérience personnelle montre que l'utilisation de batteries de qualité industrielle sur un réseau de télécommunications se dégrade également différemment au sein d'un même groupe de batteries.

Comme je l'ai mentionné précédemment, même avec le même modèle et le même modèle d'utilisation, chaque batterie se comporte différemment au niveau atomique lors du cycle de charge ou de décharge. Il y a aussi l'influence de l'environnement environnant de la batterie (la batterie du milieu sur le banc de batterie a une exposition à une température plus élevée) crée une performance et une espérance de vie inégales.

Ce n'est donc pas un cas aléatoire, mais la plupart du temps, ils présentent des performances différentes, même en agissant ensemble ...

A. Bauani
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